La structure de l'atome en trois lignes
Un atome est constitué d'un noyau central entouré d'électrons. Le noyau contient des protons et des neutrons. Le nombre de protons détermine l'élément chimique : un atome avec 6 protons est toujours du carbone, un atome avec 82 protons est toujours du plomb. Le nombre d'électrons détermine les propriétés chimiques et la capacité à former des liaisons.
Le nombre de neutrons, lui, peut varier pour un même élément. Deux atomes de carbone peuvent avoir 6 neutrons (carbone-12) ou 7 neutrons (carbone-13). Chimiquement, ils se comportent de la même façon, ils forment les mêmes liaisons, participent aux mêmes réactions. Physiquement, ils diffèrent par leur masse : le carbone-13 est légèrement plus lourd que le carbone-12.
Ces variantes d'un même élément qui diffèrent par leur nombre de neutrons s'appellent des isotopes.
Stables et radioactifs : une question de stabilité nucléaire
Tous les isotopes ne sont pas égaux. Certaines combinaisons de protons et de neutrons forment un noyau stable, qui peut exister indéfiniment sans se transformer. D'autres combinaisons sont instables : le noyau cherche à se réorganiser en émettant des particules ou des rayonnements. C'est la radioactivité.
Un isotope radioactif se désintègre spontanément, en un temps plus ou moins long selon sa demi-vie, pour donner un isotope fils différent. Le carbone-14, par exemple, est radioactif : il se transforme progressivement en azote-14 avec une demi-vie d'environ 5 700 ans. Le carbone-12 et le carbone-13, en revanche, sont stables : ils n'évoluent pas.
Pas de rayonnement.
Utilisés en traçabilité.
Émettent des rayonnements.
Utilisés en datation.
Combien d'isotopes stables existe-t-il ?
La nature produit environ 254 isotopes stables, répartis entre 80 éléments chimiques. Certains éléments n'ont qu'un seul isotope stable, c'est le cas de l'arsenic (⁷⁵As), du fluor (¹⁹F) ou du phosphore (³¹P). D'autres en ont plusieurs : le plomb en compte quatre (²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb), l'antimoine deux (¹²¹Sb, ¹²³Sb), le fer quatre (⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe, ⁵⁸Fe).
Plus un élément possède d'isotopes stables avec des abondances relatives variables dans la nature, plus il offre de possibilités pour la traçabilité isotopique. C'est pourquoi le plomb est l'élément traceur le plus utilisé en géochimie environnementale.
Isotopes radioactifs en géochimie : la datation
Les isotopes radioactifs ne sont pas inutiles pour autant. Ils servent principalement à la datation. Puisqu'un isotope radioactif se désintègre à une vitesse constante et bien connue, mesurer le rapport entre l'isotope parent et l'isotope fils dans un échantillon permet de calculer depuis combien de temps ce système est fermé. C'est ainsi qu'on date les roches, les glaces polaires, les sédiments lacustres, et les matières organiques.
En traçabilité environnementale, certains isotopes radioactifs à vie courte comme le plomb-210 (demi-vie : 22 ans) sont utilisés pour dater les couches de sédiments et reconstituer l'historique des dépôts métalliques avec une résolution de quelques années.
- Un isotope est une variante d'un élément chimique qui diffère par son nombre de neutrons.
- Les isotopes stables n'évoluent pas dans le temps et ne présentent aucun risque radiologique.
- Les isotopes radioactifs se désintègrent spontanément et sont utilisés principalement pour la datation.
- La traçabilité des métaux repose presque exclusivement sur les isotopes stables.
- Le nombre d'isotopes stables d'un élément conditionne son utilité en traçabilité.